淺談簡易雙足步行機器人的設(shè)計

黃曉霞

摘要：雙足步行是步行方式中自動化程度最高、最為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。與其它足式機器人相比，雙足機器人具有支撐面積小，支撐面的形狀隨時間變化較大，質(zhì)心的相對位置高的特點。雙足機器具有更高的靈活性，更適合在人類的生活或工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對這些環(huán)境進行大規(guī)模改造。未來社會環(huán)境的變化使得雙足機器人在護理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及一般家務(wù)處理等方面也有很大的潛力。文章主要闡述了雙足步行機器人的設(shè)計過程，論述了雙足步行機器人的硬件設(shè)計，完成簡易雙足步行機器人的設(shè)計工作。

關(guān)鍵詞：雙足機器人;舵機;控制系統(tǒng)

一、雙足步行機器人自由度

雙足步行機器人的機構(gòu)是所有部件的載體，也是設(shè)計雙足步行機器人首要的工作。它必須能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的前后左右以及爬斜坡和上樓梯等的基本功能，所以自由度的配置必須合理。首先確定雙足步行機器人的運動過程和行走步驟：重心右移（先右腿支撐）、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間，共分8個階段。雙足機器人向前邁步時，髓關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)必須各自配置有一個俯仰自由度以配合實現(xiàn)支撐腿和上軀體的移動，要實現(xiàn)重心轉(zhuǎn)移，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度是必不可少的。機器人要達到目標(biāo)位置，需要轉(zhuǎn)彎時，所以需要有髖關(guān)節(jié)上的轉(zhuǎn)體自由度。膝關(guān)節(jié)處配置一個俯仰自由度能夠調(diào)整擺動腿的著地高度，使上下臺階成為可能，還能實現(xiàn)不同的步態(tài)。這樣最終決定髖關(guān)節(jié)配置3個自由度，包括轉(zhuǎn)體、俯仰和偏轉(zhuǎn)自由度，膝關(guān)節(jié)配置一個俯仰自由度，踝關(guān)節(jié)配置有俯仰和偏轉(zhuǎn)兩個自由度。這就共需要配置12個自由度。髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動作可完成機器人的在縱向平面（前進方向）內(nèi)的直線行走功能，髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)體自由度可實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎功能，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動作可實現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能。

二、確定雙足機器人的動力源

雙足步行機器人要求的精度比較高，交直流電機通電就轉(zhuǎn)，斷電就停，很難進行機器人的位置控制，步進電機雖能按一定的精度工作，因其是一個開環(huán)系統(tǒng)，精度達不到要求。因此，本文選擇采用伺服電動機。

本次設(shè)計考慮成本問題使用伺服電動機一舵機。舵機最早出現(xiàn)在航模運動中。在航空模型中，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機和各個控制舵面來控制飛行機的飛行姿態(tài)。電動舵機控制器一般采用PID控制，以滿足舵機動靜態(tài)指標(biāo)要求，伺服功率放大器一般由脈沖寬度調(diào)制器和開關(guān)控制電路組成，直流伺服電機是電動舵機的執(zhí)行元件，可采用有刷或無刷直流電機，減速機構(gòu)一般采用蝸輪蝸桿或絲缸減速機構(gòu)。

本次設(shè)計的雙足機器人是重量很輕的作用實驗的小型雙足步行機器人，因此選擇使用舵機驅(qū)動機器人的各關(guān)節(jié)。

本設(shè)計中選擇電機的特點就是體積小、重量輕且控制簡單，另外價格也較便宜。雙足步行機器人每條腿的自由度為6，各關(guān)節(jié)的驅(qū)動使用的是北京漢庫科技有限公司的HG14-M的大力矩舵機。

三、確定雙足機器人的機構(gòu)

根據(jù)設(shè)日要求本文設(shè)計了機器人的機構(gòu)，具有以下特點：

1.設(shè)計的簡易雙足機器人布置具有對稱性。

步行運動中普遍存在結(jié)構(gòu)對稱性。研究人員研究了步行運動中的對稱性，發(fā)現(xiàn)機身運動的對稱性和腿機構(gòu)的對稱性之間存在相互關(guān)系。在單足支撐階段對稱性的機身運動要求腿部機構(gòu)也是對稱的，在雙足支撐階段機身對稱性運動未必需要腿部機構(gòu)的對稱性，除非有額外的約束條件。根據(jù)RC伺服電機的尺寸大小確定框架，使電機的活動范圍能盡量符合各關(guān)節(jié)的活動范圍。

2.設(shè)計的雙足機器人采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。

行走機構(gòu)能實現(xiàn)平地前后行、平地側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺階、爬斜坡等功能。整個結(jié)構(gòu)采用1mm的鋁合金鈑金材料，這種材料重量輕、硬度高、強度雖不如鋼，但卻大大高于普通鋁合金，具有彈性模量、密度比高的特點。

3.設(shè)計的雙足機器人是框架型結(jié)構(gòu)。便于機器人的各關(guān)節(jié)間采用RC伺服電機驅(qū)動，可減小機器人的體積、減輕重量?？蚣艿脑O(shè)計有效的利用了RC伺服電機的尺寸大小，并使電機的活動范圍能盡量符合各關(guān)節(jié)的活動范圍。

四、確定雙足機器人的控制系統(tǒng)

設(shè)計的雙足步行機器人機構(gòu)采用了12個舵機，要求控制系統(tǒng)能實能同時驅(qū)動12個舵機的功能。舵機的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應(yīng)舵盤的位置為0-180°，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)位置上。

傳統(tǒng)產(chǎn)生PWM波的方法是通過大量的分A元件來實現(xiàn)的，所產(chǎn)生的脈沖頻率和寬度往往不準(zhǔn)確，不能做到對舵機的精確控制。本設(shè)計中采用一片51的單片機和一片復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）實現(xiàn)了PWM的產(chǎn)生。由于CPLD具有他特有的并行處理能力和大量的10接口，可以同時控制幾十甚至上百個舵機同時工作，可以為后續(xù)的工作留出一定的空間，但由于CPLD不具備事務(wù)處理能力，實際應(yīng)用中還需要MCU協(xié)同工作，本設(shè)計中采用51系列的單片機和CPLD協(xié)同控制舵機，同時使用單片機為后續(xù)的傳感器反饋處理留出空間。

選用“上位機+串口+下位機”的控制系統(tǒng)解決方案。上位機控制軟件的主要功能是對預(yù)定的機器人動作進行規(guī)劃和位置插補，再按照一定時間間隔和次序進行發(fā)送給下位機，實現(xiàn)機器人關(guān)節(jié)位置和近似的速度控制，下位機主要功能是接收上位機發(fā)送的位置信號，根據(jù)信號要求產(chǎn)生PWM波，控制機器人各個關(guān)節(jié)舵機運動，使機器人按動作規(guī)劃完成相應(yīng)動作。與此同時，下位機主要由完成串口通信、數(shù)據(jù)的調(diào)度和12個舵機驅(qū)動模塊構(gòu)成。

CPLD的12路舵機驅(qū)動原理是CPLD通過一個簡單的接口與51單片機進行通信，把要驅(qū)動的12個舵機的PWM信號數(shù)據(jù)存人到數(shù)據(jù)存儲區(qū)，通過數(shù)字PWM生成器驅(qū)動12個舵機轉(zhuǎn)到需要的角度，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換到下一個角度時，通過與51單片機的接口，從51單片機中傳送新的PWM信號數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲區(qū)中進行更新，數(shù)字PWM生成器就會驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)過一個新的角度。

五、雙足機器人的硬件設(shè)計

1.電源。為了避免舵機的供電電源產(chǎn)生的電壓波動對控制電路的干擾，控制電路與舵機的電源要進行隔離，即分開供電。控制電路電源使用的是一個9V輸出的AC-DC變壓電源經(jīng)7805芯片后提供的5V電源，而舵機的電源提供了一個接口，外接一個6V的直流電源。

2.控制芯片。控制芯片模塊包括單片機、時鐘電路、復(fù)位電路、外部程序存儲芯片擴展以及大規(guī)模CPLD芯片。單片機采用Atme公司的AT89S52，它是8位的高性能嵌人式控制器，其內(nèi)部集成了8k的可在線編程的Flash存儲器;256字節(jié)的RAM，可尋址64字節(jié)，具有32根I/O口、3個可編程定時器、8個中斷源、6個中斷矢量、1個看門狗定時器。時鐘電路給系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)，設(shè)計時采用11.05296MHz晶振。同時，設(shè)計還擴展了一片8k×8位的外部存儲芯片2864。CPLD芯片采用的是ALTERA公司的EPM7128。

3.串行通信。串行通信模塊主要用于AT89S52單片機與PC機之間的串行通信。由于PC機的COM口符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)，AT89S52單片機上的串行接口是CMOS電平，在RS-232與CMOS電平通信時，需要電平轉(zhuǎn)換，因此，設(shè)訓(xùn)時利用MAX232芯片來作電平轉(zhuǎn)換。

4.舵機的驅(qū)動控制。12路舵機的控制信號來自CPLD芯片的I/O口。為了防止干擾，12路舵機控制信號和驅(qū)動電路應(yīng)經(jīng)過TLP-521光電隔離，通過隔離出來的控制信號，還必須接人LM324比較器，以消除毛刺，增加信號的穩(wěn)定性，提高信號的輸出電流，以便舵機能夠正確工作不至于產(chǎn)生不必要的抖動。

六、結(jié)語

論文論述了雙足機器人的結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計，完成了能通過伺服電機控制運動的一種簡易型雙足步行機器人設(shè)計任務(wù)，但存在不足，對雙足步行機器人的研究與設(shè)計僅停留在小實驗上，不能較好運用運動學(xué)原理以實現(xiàn)雙足步行機器人的實際行走過程，并實際運用到人們生活中。

參考文獻：

[1]郭巧.現(xiàn)代機器人學(xué)：仿生系統(tǒng)的運動與感知與控制.北京理工大學(xué)出版..1997.

[2]俞志偉.雙足機器人仿生機構(gòu)設(shè)計與運動仿真.哈爾濱工程大學(xué)碩士論文.2006.

[3]楊壯來.人體結(jié)構(gòu)學(xué).北京：高等教育出版社.2004.